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现代密码学发展

现代密码学在经典对称/非对称密码与消息认证的基础上，正经历后量子安全、隐私计算与新型应用三大方向的深刻变化。本文基于公开资料与标准化进展，概述后量子密码（PQC）、同态加密、零知识证明及轻量级密码等方向的发展现状与趋势。

为什么需要“后量子”密码

当前广泛使用的公钥密码（如 RSA、椭圆曲线 ECDH/ECDSA）基于大整数分解或离散对数等数学难题，在经典计算机下被认为是安全的。量子计算机利用 Shor 算法可在理论上多项式时间内破解这些问题，一旦实用型量子计算机出现，现有公钥体系将面临系统性风险。

业界普遍认为：非对称加密将在 2029 年前后首次面临量子计算的实质性威胁，到 2034 年主流密码技术可能全面暴露于量子攻击。鉴于算法迁移与系统改造通常需要 10–15 年，提前启动后量子密码迁移已刻不容缓。（参见《后量子密码安全能力构建技术指南（2025版）》等报告。）

后量子密码（PQC）与标准化

后量子密码（Post-Quantum Cryptography, PQC） 指在经典与量子计算机下均被认为难以攻破的密码算法，主要技术路线包括：

路线 代表算法/思想 特点
格密码 ML-KEM、ML-DSA 效率高、密钥较小、标准化领先
哈希基签名 SLH-DSA (Sphincs+) 结构简单、作为格算法备选
编码基 McEliece 等 抗量子历史长、密钥较大
多变量 多变量二次方程 可用于签名与加密
同源曲线 SIKE 等 密钥小；SIKE 已于 2022 年被攻破，NIST 不再推荐

NIST 后量子标准（2024）

美国国家标准与技术研究院（NIST）于 2016 年 发起全球后量子密码算法征集，经多轮评估，于 2022 年 公布首批入选算法，2024 年 8 月 正式发布首批三项联邦信息处理标准（FIPS），标志着 PQC 从评估阶段进入可部署阶段。

标准 算法原名 标准化名称 用途
FIPS 203 CRYSTALS-Kyber ML-KEM 密钥封装（通用加密/密钥协商）
FIPS 204 CRYSTALS-Dilithium ML-DSA 数字签名
FIPS 205 Sphincs+ SLH-DSA 数字签名（哈希基备选）
  • ML-KEM：基于模格学习与误差（MLWE）问题，密钥小、速度快，适合资源受限环境；提供 ML-KEM-512/768/1024 三档安全级别。
  • ML-DSA：基于格的数字签名，采用 Fiat–Shamir with Aborts 范式，为当前主推的 PQC 签名方案。
  • SLH-DSA：无状态、基于哈希的签名，不依赖格难题，作为与 ML-DSA 不同数学假设的备份方案。

NIST 鼓励系统管理员尽快将新标准纳入产品与系统，并继续推进更多算法作为备份（如基于 FALCON 的 FN-DSA 等）。详见 NIST 后量子密码标准化项目 与 NIST 新闻稿（2024年8月）。

中国在后量子密码方面的进展

  • 算法征集：2025 年 2 月，中国商用密码标准研究院发布《关于开展新一代商用密码算法征集活动的公告》，面向全球征集后量子密码先进算法。
  • 应用路线：运营商等推进“QKD（量子密钥分发）+ PQC”融合，实现“量子经典深度融合”，将量子安全能力融入云、网、端、管等层面。
  • 市场预期：据行业分析，全球后量子密码技术市场规模预计在 2030 年 超过 100 亿美元，中国约占 20%。

当前国内在 PQC 基础理论、核心算法创新与工程化方面仍存在差距，需加强顶层设计与资源配置。

同态加密与隐私计算

同态加密（Homomorphic Encryption） 允许在不解密的前提下对密文进行运算，结果解密后与对明文做相同运算一致，是实现“可算不可见”的隐私计算核心技术之一。

分类与代表方案

类型 支持运算 代表方案 应用场景
半同态 仅加法或仅乘法 Paillier（加法）、RSA/ElGamal（乘法） 安全求和、简单统计
全同态 FHE 加法和乘法 BGV、BFV、CKKS、Gentry 系列 通用密态计算
  • 半同态：实现简单、性能较好，在联邦学习、安全多方计算中已广泛应用。
  • 全同态（FHE）：表达能力强，可对密文做任意电路计算，但存在效率低、密钥与密文膨胀等问题，目前多用于对性能要求不极端的场景；CKKS 等方案在近似运算、机器学习推理中受到关注。

同态加密在联邦学习、隐私外包计算、安全投票等场景中与差分隐私、安全多方计算结合使用。ISO 已发布同态加密标准（如 ISO/IEC 18033-6:2019），HomomorphicEncryption.org 等组织在推进 FHE 标准化白皮书。

零知识证明（ZKP）

零知识证明（Zero-Knowledge Proof, ZKP） 使证明方能够向验证方证明“某命题成立”，而不泄露除“命题成立”之外的任何信息，在隐私保护与可验证计算中扮演核心角色。

特点与应用

  • 隐私：证明身份、资质或数据满足某条件，而不暴露具体数据（如匿名凭证、范围证明）。
  • 可验证性：验证方无需重算即可相信计算结果正确（如 zk-SNARKs、zk-STARKs）。
  • 区块链：用于扩容（Rollup）、隐私交易、跨链互操作等；zk-SNARKs、zkVMs、专用 DSL 等已成为链上可验证计算的重要基础设施。

零知识证明在投票、认证、时间锁、机器学习等非区块链场景的应用也在扩展。近年来，更高效的证明系统（如基于 Folding 的论证系统）在链上验证成本与资源受限环境方面取得进展。

轻量级密码与物联网

轻量级密码面向资源受限设备（如传感器、嵌入式 MCU、物联网终端），在保证一定安全强度的前提下，优化面积、功耗、延迟与代码体积。

  • 应用场景：物联网（IoT）数据加密、设备认证、安全通信（如 TLS 中的轻量级套件）。
  • 典型方向：轻量级分组密码（如 PRESENT、SIMON/SPECK、ASCON）、轻量级哈希与认证码、以及结合 PQC 的轻量级 KEM/签名（如 ML-KEM 在嵌入式场景的优化实现）。NIST 于 2023 年选定 ASCON 作为轻量级密码标准（SP 800-232），涵盖认证加密、哈希与可扩展输出函数等。

轻量级密码与后量子算法的结合，是未来物联网与边缘安全的重要研究方向。

发展时间线概览

flowchart LR
    A["2016 NIST 征集 PQC"] --> B["2022 公布入选算法"]
    B --> C["2023 发布草案"]
    C --> D["2024.8 发布 FIPS 203/204/205"]
    D --> E["迁移与备份算法持续进行"]
    style A fill:#e3f2fd
    style D fill:#e8f5e9
年份 事件概要
2016 NIST 启动后量子密码标准化征集
2022 NIST 公布 CRYSTALS-Kyber/Dilithium、Sphincs+、FALCON 等入选算法
2023 NIST 发布 ML-KEM、ML-DSA、SLH-DSA 草案
2024.8 NIST 正式发布 FIPS 203、204、205（ML-KEM、ML-DSA、SLH-DSA）
2025 中国商用密码标准研究院征集新一代商用密码（含后量子）算法

小结

现代密码学发展围绕抗量子、可算不可见、可证明不泄露三条主线展开：后量子密码（PQC）已进入标准化与初步部署阶段；同态加密与零知识证明支撑隐私计算与区块链等应用；轻量级密码满足物联网与边缘安全需求。建议结合本系列的密码协议与应用、消息认证与哈希函数与比特币体系进一步理解这些技术在协议与系统中的应用。轻量级密码部分可对照分组密码中的“发展现状”与 NIST ASCON 相关内容。

参考资料

本文作者： Wcowin